多符号差分协作系统检测算法的研究

多符号差分协作系统检测算法的研究 硕 士 学 位 论 文 MASTER DISSERTATION 多 符 号 差 分 协 作 系 统 检 测 算 法 的 研 究 The Research of The Multiple Symbol Differential Detection Algorithms for Cooperative System 作 者 陈婕 导 师 金宁 教授 学 科 信 号 与 信 息 处 理 中 国 计 量 学 院 二? 一三 年 一 月 The Research of The Multiple Symbol Differential Detection Algorithms for Cooperative System By Jie Chen A Dissertation Submitted toChina Jiliang University In partial fulfillment of the requirementFor the degree ofMaster of Engineering China Jiliang UniversityJanuary, 2013 独创 性声明 本 人 声 明 所 呈 交 的 学 位 论 文 是 本 人 在 导 师 指 导 下 进 行 的 研 究 工 作 和 取得的研究成果, 除了文中特 别加以标注和致谢之处 外, 论文中 不包含其 他 人 已 经 发 或 撰 写 过 的 研 究 成 果 , 也 不 包 含 为 获 得 中 国 计 量 学 院 或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。 与 我一同工作的 同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并 表示了谢意 。 学位论文作者签名: 签字日期:年月日学 位 论 文 版 权 使 用 授 权 书 本学位论文作者完全了解 中国计量学院 有 关 保 留 、 使 用 学 位 论 文 的 规 定 。 特 授 权 中国计量学院 可以将学位论文的全部或部 分内容编 入有关数据库进行检索 ,并采用影印 、缩印或扫描等复制手 段保 存、汇编 以供查阅和借阅。 同意学校向 国家有关部门或机构 送交论文的复 印件和磁 盘。(保密的学位论文在解密后 适用本授权说明) 学位论文作者签名: 导师签名:签字日期: 年 月 日 签字日期: 年月日 中图分类号 TN911 学 校 代 码 10356 UDC621 密级 公开 硕 士 学 位 论 文 MASTER DISSERTATION 多 符 号 差 分 协 作 系 统 检 测 算 法 的 研 究 The Research of The Multiple Symbol Differential Detection Algorithms for Cooperative System作 者陈婕 导 师 金宁 教授 申 请 学 位 工 学 硕 士 培 养 单 位 中 国 计 量 学 院 学 科 专 业 信 号 与 信 息 处 理 研 究 方 向无 线 通 信二? 一 三 年 一 月 致 谢 近两年半 的研究生学习即将 结 束 了 , 在 这 两 年 半 的 时 间 里 , 我 学 到 了 很 多 东 西 , 而 我 的 导 师 金 宁 教 授 做 出 了 很 大 的 贡 献 , 在 此 我 要 特 别 地 感 谢 ! 金 老师 是一个很平易近人的人 ,她 宽广的胸怀 ,严肃的 科研 态 度 , 严 谨 的 治学精神,精益求精的工作作风 ,深深 震撼 着我 。 其 次 , 特 别 感 谢 金 小 萍 老 师 、 楼 喜 中 老 师 及 我 们 导 师 组 的 其 他 老 师 们 对我课研究上的细心指导和帮 助。 再 次 , 我 要 感 谢 信 息 学 院 赛 博 北 楼 614 和 612 实验室的所 有同学 , 感 谢 所有同学 对我学习 和 生 活 上 的 帮 助 , 也 感 谢 和 我 一 起 度 过 研 究 生 生 活 的 寝室室友 ,谢谢你们带给我的快 乐 、 关怀和帮助! 最后, 我 还要 向 我的 父 母 致 以 最 崇 高 的 敬 意 , 如 果 没 有 他 们 无 私 的 关 怀和鼓励,就没有今天的我! 谢谢你们!陈婕 2013 年 1 月多 符 号 差 分 协 作 系 统 检 测 算 法 的 研 究 摘要 :为了解决 MIMO 系统在实现空间分集效果 时,终端设备由 于 体积、 硬件复杂度和功耗等限制 的问题, 提出了一种新的空间 分集技术?? 协作 技 术 。 在 协 作 技 术 实 现 的 过 程 中 , 发 送 信 号 的 协 作 方 式 多 样 化 ,其中 AF 、 DF 和 CC 三种是最基础的协作策略, 其中 误码率性能 DF 最优 ,AF 最 差; 与此相比,AF 的复杂度 最低 , 然 而 DF 最高,CC 在 误 码 率 和 复 杂 度 两 方 面的性能都介于 AF 和 DF 之间。 同时, 对 接 收 信 号 的 译 码 方 式 也 多 样 化 , 其中差分检测方式相比于传统的 相干检测方式而言 , 避免了信道 估计这一 难题从而降低了检测算法实现的 复杂度, 更适用于实 际应用环境 中。 然 而 也带来了 3dB 的性能损失,为了缩小 这 个 性 能 差 距 , 提 出 了 多 符 号 差 分 检测技术 。 但 是 , 采 用 多 符 号 差 分 检 测 技 术 也 带 来 了 计 算 复 杂 度 高 的 问 题 , 针 对 这个问题, 研究 了 3 种适用于不同协作系统的多符号 差分检测算 法, 使协 作系统在误码率性能和复杂度之 间达到很 好 的 折 中 效 果 。 同 时 , 在 对三种 协作策略了解的基础上, 以及 鉴于本文是对检测算法 的研究, 为 了避免研 究的重复性,重点选择了 AF 和 CC 两种协作 方式 。 本文 主 要 基 于 AF 、 CC 两种协作策略下的协作系 统,并且分别与不同 的差分 编 码 方 式 结 合 , 重点 研究 3 种适用于协作系统的多符号差分检测算法 。 首 先 , 在 分 布 式 空 时 CC 协作 系 统 的 基 础 上 , 针 对 传 统 单 符 号 差 分 ML 算法的 3dB 性 能 损 失 , 而 研究 多符号差分 ML 算 法 , 用 于 提 高 单符号 差分协作系统的误码性能。然后 , 基于正交空时 AF 协 作 系 统 , 针对 ML 算法高复杂度的缺陷,研究 了多符号差分 SD 算 法 ,用 于 降 低 协 作 系 统 的 空 间 复 杂 度 。 最 后 ,针对 目前已有 SD 算法 的 缺 陷 , 其 中 主 要 包 括 宽 度 优 先的 M-SD 算法 复杂度 降低 受 球 形 半 径 选 取 的 限 制 , 以 及 深 度 优 先 SD 算 法中需要 大幅度 回溯操作造成 不 适 用 于 硬件等 缺陷 。 在 酉 空 时 AF 协作系 统的基础上, 对 多符号差分 PASD 算法 研究 , 使 差 分 协 作 系 统 在 误 码 性 能 和复杂度之间达到很好的折中效 果, 并且更易于将来 在硬件中的 使用。 本 文 通过详细的理论公式推导和 仿真 测试分析,来 验证 研究的 算 法 有 效 性 。 关 键词: 协作 技术 ; 多 符号差 分检测 ; 差分 空时编 码 分类号:TN911UDC621 IThe Research of the Multiple Symbol Differential Detection Algorithms for Cooperative System Abstract :In order to solve the terminal equipment for MIMO system limited by the volume 、hardware complexity and restriction for power consumption, when the system achieves spatial diversity effect, a new space technology ?cooperative technology was proposed. In the process of cooperative technology, not only the cooperative approach of sending signal, but the detection method of receiving signal can diversify. For cooperative approach of sending signal, the performance of three basic cooperative strategies in the system are AF 、DF and CC. On the BER performance DF is the best, while AF is the worst. At the same time on the performance of complexity AF is the least, while DF is the most. CC is in the middle of AF and DF on the spect of both BER performance and complexity. For detection method, to avoid the difficulty of channel estimation, differential detection scheme was proposed, which is more suitable for practical application environment. However, it also brings a 3dB performance loss compared to coherent detection, so mutilpe-symbol differential detection was proposed to narrow the 3dB performance gapHowever, utilizing multiple-symbol differential detection will bring high computational complexity. We proposed three detection algorithms for different cooperative systems to solve this problem. The three detection algorithms can achieve a compromise between BER performance and complicated computationalAt the same time, on the basis of three cooperative strategies and the reseach for detection algorithm in this paper, we focus on AF and CC cooperative strategies to avoid repeatability of the research.We focus on three multiple-symbol differential detection algorithms for cooperative system, base on AF and CC cooperative strategies which is combined with different differential encodes respectively First, multiple-sysmbol differential ML detection is proposed for distributed space-time CC cooperative system to improve the performance of cooperative system by reducing the 3dB loss of single-symbol differential detection. Second, because ML algorithm has a shortcoming of high computational complexity, we IIproposed multiple-symbol differential SD algorithm for orthogonal space-time AF cooperative system to reduce the space complexity of cooperative system. Finally, base on the current deficiency of the exiting SD algorithms, we propose multiple-symbol differential PASD algorithm which is suitable to hardware in the future for unitary space-time AF cooperative system to achieve a compromise between BER performance and complexity. These three algorithms are derived by detailed theoretical formula analysis and simulation test to verify the effectiveKeywords: cooperative technology; multiple symbol differential detection; differential space-time code Classification :TN911UDC621III目 次 摘要. I 目 次IV 图清单.VI 表清单. VIII 符号清单IX 1 绪论 1 1.1 论文研究背景和意义. 1 1.2 国内外研究现状 2 1.3 论文的主要内容与安排 4 2 协作通信. 7 2.1 协作原理概述. 7 2.2 协作策略 8 2.2.1 放大转发协作8 2.2.2 解码转发协作9 2.2.3 编码协作10 2.2.4 三种协作方式的性能 比较. 11 2.3 基于协作的差分空时编码 12 2.3.1 差分空时分组编码. 13 2.3.2 差分酉空时编码16 2.4 本章小结. 17 3 基于分布式空时编码协作的多符号差分 ML 算法18 3.1 系统模型. 18 3.2 ML 算法21 3.3 多符号差分 ML 算法22 3.3.1 多符号差分公式推导 22 3.3.2 多符号差分公式分析 24 3.4 系统性能分析26 IV3.5 本章小结. 30 4 基于正交空时放大转发协作的 多符号差分球形算法31 4.1 系统模型. 31 4.1.1 发送信号模型 31 4.1.2 接收信号模型 32 4.2 多符号差分球形算法33 4.3 深度优先球形算法 35 4.4 性能分析. 39 4.4.1 BER 性能分析40 4.4.2 复杂度分析. 42 4.5 本章小结. 43 5 基于酉空时放大转发协作的多符号差分 PASD 算法. 44 5.1 系统模型. 44 5.1.1 发送信号模型 45 5.1.2 接收信号模型 45 5.2 球形半径分析46 5.3 多符号差分 PASD 算法. 48 5.4 性能分析. 52 5.4.1 BER 性能分析52 5.4.2 复杂度分析. 56 5.5 本章小结. 58 6 总结与展望. 60 6.1 研究总结. 60 6.2 展望 61 参 考 文 献 63 作者简介 67 V图清单 图 2.1 协作通信原理图 7 图 2.2 放大转发协作原理图 9 图 2.3 译码转发协作原理图. 10 图 2.4 编码转发协作原理图. 11 图 2.5 三种不同协作策略的性能对比 12 图 2.6 差分空时分组编码原理图13 图 2.7 Alamouti 空时编码性能分析. 14 图 2.8 有无空时编码时协作系统性能分析. 15 图 3.1 CC 分布式空时协作系统 模型. 19 图 3.2 多符号差分 ML 算法 流程. 24 图 3.3 多符号差分 ML 算法树形检测图. 25 图 3.4 当 L2,M2 时,相干检测、单符号差分和 多符号差分检 测算法的 性能比较26 图 3.5 当 L2,M4 时,相干检测、单符号差分和 多符号差分检 测算法的 性能比较27 图 3.6 当 L4,M2 时,相干检测、单符号差分和 多符号差分检 测算法的 性能比较28 图 3.7 当 L4,M4 时,相干检测、单符号差分和 多符号差分 检 测 算 法 的 性能比较28 图 3.8 在 QPSK 调 制 、 频 偏 为 f , f 的情况下, 不同分组长度时多符号 差 d1 d 2 分 ML 算法的性能变化. 29 图 4.1 AF 协作系统与 Alamouti 结合的系统模型 31 图 4.2 深度优先球形译码算法流程图 36 图 4.3 深度优先球形算法树形检测图 38 图 4.4 在不同分组长度情况下 ,BPSK 调制时 MSDSD 算法公式的仿真验证. 40 图 4.5 在不同调制情况下,分组长度 N 2 时 MSDSD 算 法 公 式 的 仿 真 验 wind 证41 图 4.6 在不同分组长度、 频偏为 f , f 的情况下,MSDSD 算 法 的 性 能 变 化 d1 d 2 VI 41 图 4.7 在不同分组长度的情况下, 多符号差分 SD 和 ML 两种算法的复杂 度比较 42 图 5.1 AF 酉空时协作系统框图 45 图 5.2 当 L2 , N 5 ,SNR35 时 M-SD 算法的树形结构图. 47 wind 图 5.3 多符号差分 PASD 算法的实现流程图50 图 5.4 L2 , N 5 ,SNR35 时多符号差分 PASD 算法的树形结构图. 51 wind 图 5.5 多符号差分 PASD 算法在不同协作节点个数下的误码率比 较. 53 图 5.6 当 N 4,5 时,多符号差分 PASD 算法在不同裁剪概率值 下 误码 wind 性能图 54 图 5.7 多符号差分 PASD 算法在不同分组长度下系统误码性能比 较图 54 图 5.8 多符 号差分 ML,M-SD,PASD 算法在N 3,5 时 系 统 误 码 性 能 比 较 wind 图55 图 5. 9 当 N 3 时 , 多 符 号 差 分 PASD 在不同协作节点个数下的 复 杂度 wind 比较. 56 图 5. 10 当 N 4,5 时 , 多 符 号 差 分 PASD 算法在不同裁剪概率情 况 下的 wind 复杂度比较图 57 图 5. 11 多符号差分 PASD,M-SD,ML 算法在不同分组长度下的 复杂度比 较58VII表清单 表 2.1 三种协作策略的优缺点 11 表 2.2 对角酉星座的设计 17 表 3.1 协作通信与分布式 Alamouti 结合的工作原理. 19 表 3.2 4 ?PAM 映射准则 29 表 3.3 图中参数意义30 表 4.1 流程图中各个参数意义 37 表 4.2 仿真系统的各个参数. 39 表 5.1 流程图中各个参数意义 49 表 5.2 储存列表的N 状态变化51 b 表 5.3 仿真系统的各个参数. 52VIII符 号 清 单 共轭操作 t 转置操作 H 共轭转置 操作 -1 求逆操作 T A A 的第T 个 时隙 L ?L I 维的单位 矩阵 L 1 元素都 为1 的A ?B 的向量 A ?BRe ?A复数A 的 实部 tr ?A求A 的迹 ,A 的主 对角之 和 detA 求A 的行 列式 AB A 与B 的乘 积AB矩阵A 与B 的直 积或Kroneker 积 E ?AA 的 期望值 diag ?A A 的对角矩 阵 2 A A 的F 范数 F求和 求积 t 1 j ?x , ?,x j x IX 中国计量学院硕士学位论文 1 绪论 1.1 论 文 研 究 背 景 和 意 义 随着 无线通信技术的 飞速发展 , 各类 移动 终端 对 通 信 速 率 的 要 求 不 断 提高 , 同时 对 多种业务的需求 也日益 增加 。 高 质 量 高速率 的实时 或 非实时 多 业务 的高速数据传输 和 融合 等 需 求 迫使 人们对 下一代 移 动 通 信 , 即 th B3GBeyond3G, 超 3 代/ 4Gthe 4 Generation, 第 4 代 无线 通信技术进 行 [1] 探讨和研究 。不仅为了 提高通信速率 ,同时 还需要 确 保 不 同 业 务 的 QoS Quality of Service, 服务质量 需求, 下一代 无线 通信 系统 必 须 采 用 更 先进 的技术和算法 。为此 , 在 信号 与信息 处理技术、 用 于 适 应 不 同 信 道 环 境 的 编码和调制技术、 各种分集技 术以及检测技术 等 方 面 , 目 前 已 经 进 行 了 大 量的理论研究 。 其中 由 多 径 效 应 和 无 线 信 道 的 衰 落 等 本质 特性 决 定 了 各种 分集技术 处于 至关 重要 的地位 。 分集是无线通信中一种有效的抗 衰落技术, 其中收 发端使用多天 线的 [2]-[4] MIMO Muiltiple Input and Multiple Output, 多输入多输出 天线系统 是 其中一种有效的空间分集技术 , 不仅 充分利用 网络 空 间 资 源 , 还 可 以 在不 增加 天线发射总功率 和 系统带宽 的情况下, 大 幅 度 提 高 频 谱 的 利 用 率 和 系 统容量 , 同时 还 能 抵 抗 多 径 效 应 的 影 响 , 显然 已成 未来 无线通信 的 必选技 术之一。 但是 , 在 实 际 的 通 信 环境 中 , 终 端 设 备 因为受 体 积 、 硬 件 复 杂 度 和 功 耗等限制 , 安装多 根 独 立 天 线 比 较 困 难 , 一 般 仅 一 根 天 线 并且 多 天 线 的 安 装 都 在基站端 。 因此 ,MIMO 技术 在实际环境中的 使用 受到 一 定 程 度 的 限 制。同时 ,对 于 快速 衰落 的 信 道 环 境 ,MIMO 同样 收效甚微。由此 ,一 种 [5]-[7] 新型 的空间分集技术? 协 作 分 集 应 运 而 生 , 其 协 作 分 集 的 本 质 是 : 在 多用户的通信环境中, 具有单 根天线的移动终端通 过一定的协作 策略对彼 此的天线进行共享,从而产 生一个虚拟 MIMO 系 统 ,由 此 实 现 协 作 分 集 。 应用 协作分集的通信 统 称 为 协 作 通 信 , 其 实 质 是 协 作 终 端 能 够 收 到 邻 居 终 端 传 输 的 数 据 , 协 助 邻 居 终端 将数据传递给目的 终端 ,而 收 到 多 份 数 据 的 目的 终端 可以更加精确的 将接收 数据 还原 。 从 这 个 定义 上 讲 , 协 作 分 集 技 术 为 MIMO 技术 趋于 实用化提供了 一种 新 的 思 路 , 很好的 克 服 了 MIMO 技术的限制 。 同 时 ,协作分集 技术的 应用前景 也很 广 阔 , 在 无 线 传 感 器 网 1 中国计量学院硕士学位论文 [5] [6]-[8] [9] 络 、 蜂窝移动通信 、 无线自组织网络 等领域 具有极其 重 要 的 作 用 , 很 有可能 作为未来 无 线 通 信 网 中 网 络 构架 的重要思路 。 目前, 在 中继 基础上提出 的 蜂 窝 网 络 结 构 被 归 入 国 际 电 气 和 电 子 工 程 师协会推出的 Wi (Worldwide Interoperability for Microwave Access , 全球 [10] [11] 微波互联接入 )标准 和欧盟资助的 WINNER 标准 ,具 有 极 为 广 阔 的 应 用 前 景 。 而 第 3 代合作伙伴提出的 LTE (Long Term Evolution , 长期 [12] 演进 )-Advanced 标准 不仅 对中继方式 做 了详细的 筹划 ,还 对 一种含义 更广的协作多点 传输方式 进 行 了 详 细 的 规划 , 该 方 式 可 看 作 中 继 和 协 作 方 式的结合及扩展。 当前关于这 方面的研究才 刚 起 步 , 协 作 分 集 技 术 研 究 已 经 列为 我国 于 2008 年底启动 的 国家科技重大专项 中的 一 大 项 内 容 。 同时, 对于 该方面的技术攻关 , 国 内 外 各 研究机构 、 高 校 和 大企业 都 投 入 了 相 当 大的研发力量, 主 要 涉 及 协 作 通 信 系 统 的 无 线 资 源 分 配 、 多 用 户 接 入 架 构 、 实现手段 、以及 自适应问题 等方面 。同时 ,针对 高 铁 、 地 铁 、高 速 公 路 等 交通运输线的快速发展, 人们 将会频繁地在高度变化 环境中进行 通 信 , 这 种环境下信道衰落系数变化很快 , 很难通过信道估 计准确地估计 出信道状 态信息 的 问 题 , 提 出 了 差 分 检 测 方式 。 然 而 传 统 的 单 符 号 差 分 检 测 算 法 与 相关检测算法之间不仅存在着较 大的性能间距, 而 且在高速运动 环境下存 在着错误平台的问题 , 而 通 过 多 个 接 收 符 号 进 行 联 合 检 测 的 多 符 号 差 分 检 测(MSDD ) 算法可以很好地克服这 个 问 题 。 综 上 所 述 , 协 作 通 信 作 为 下 一 代 通 信 网 络 的 关 键 技 术 , 是 实 现 充 分 利 用多个终端协作的方式以提高频 谱利用率、 系统容量 , 来抵抗信 道衰落及 多天线系统实用化的一个必然途 径, 故基于协作通 信系统下的多 符号差分 检测算法的研究显示 了 巨 大 的 价 值 潜 力 和 发 展 前 景 , 因 此 , 多 符 号 差 分 协 作系统 检测算法 研 究 具 有 重 要 意 义 。 1.2 国 内 外 研 究 现 状 协作通信 与非协作通信相比,两个主要优势分别 : 减 小 对 信 道 变 化 的 敏感程度 以及 提高数据速率 。同时, 协作 可以通过 增加数据 传输 速率 来 降 低用户的发送功率。 同 样 可 以 理 解 为 : 与 非 协作的系统相 比较 , 协 作 系 统 中的用户在 传输速率相同的情况 下 所 需的总功率 却 降 低 了 , 由 此 可 以 看 出 它 对 终端节点的 能量 节省 以及 资源 受限的 网络 而 言 具 有 重 要 意 义 。 除此之 2 中国计量学院硕士学位论文 外 , 协作分集技术 通过 在 源 节 点 和 目 的 节 点 之 间 不 设定 直 传 链 路 , 可以用 来 提高网络的覆盖范围。 然 而,一 项 新型 技 术 的 诞生 必 然 也 跟 随 着 一些 有 待 解 决 的 新 问题 , 协作通信 技术 也不 除外 。 即 使 目 前 对 协作通信的研究 已经 取得 一 些 成 果 , 但 仍然 有不少 还 需要进一步 改进 和 探讨 的问题 , 其 中 的 一 个 方 面 就 是 在 快 速运动或多中继节点环境下的信 号检测问题, 这 些 环 境 下 存 在 着 信 道 变 化 快或信道过多 的 问 题 , 它 们 的 共 同 点 都 是 难 于 进 行 信 道 估 计 , 针 对 这 个 问 [13] -[15] 题目前已提出了解决办法, 即差分实现,其中 包括传统差分检测 和 [16]-[29] 多 符 号 差 分 检 测 (MSDD ) 算 法 。而 MSDD 算 法 除 了 无 需 信 道 状 态 信 息 以 外 , 还 具 有 高 性 能 和 克 服 传 统 差 分 检 测 错 误 平 台 的 优 点 而 得 到 国 内 外广泛的研究。 其 中 近 几 年 国 内 研 究 的 比 较 多 的 是 以 国 防 科 技 大 学 魏 急 波 教授为主的研究团队。 他们主 要集中于最大似然检测 判决公式的 推导, 对 [23-26] 球 形 译 码 的 改 进 ( 提 出 了 裁 剪 自 动 球 形 译 码 等 ) , 及 软 检 测 器 的 研 究 [26-29] 等 。 而 国 外 对 于 多 符 号 差 分 检 测 算 法 也 已 经 有 较 多 的 研 究 成 果 。 在 众 [30] 多的 MSDD 算法中,最大似然检测算 法 是性能最优的,但是 因为其进 行穷搜索造成了高复杂度的缺点 ,从而导致无 法在实际中应用 。因而,许 [31-41] 多学者 相继 提出了一系列 性 能 次 优 低复杂度的检测算 法 。 目 前 , 根 据 搜索策略 不同,这些检测算法分 为三大类: [31-33] 第一 ,深度优先的检测算法, 其 中典型的代表是球形 译码 , 该 类 算法首先往深度搜索,直到找到一条叶节点 ,然后再进行回 溯,访问先前 检测层的其他节点,这 类算法性能较佳 ,但半径的设置是其 难点 ,目前很 多学者对其进行了研究, 如 Zhao Wanlun 等人提出了自适应球 形译码算 法,而 Su 首次提出了自动球形译码的,它甚 至完全脱离了 初始半径 的 设 定 , 但 是 由 于 算 法 本 身 的 回 溯 特 性 , 造 成 其 时 延 较 大 , 且 算 法 的 平 均 复杂度和最大复杂度之间的差距 太大,不利于硬件的 实现; 第二 ,宽度优先的检测算法,主 要 包 括 宽 度 优 先 球 形 算 法 ,M ( 或 称 [34-35] [36] [37] K-best )算法 、BID 算法 、M-BID 算法 等,该类算法采用的是 逐 层 搜 索 策 略 , 因 此 具 有 较 稳 定 的 吞 吐 量 , 便 于 流 水 和 并 行 操 作 , 但 该 算 法的性能相对于深度优先检测方 法有一定的差距; [38] [24] 第三 , 度量值优先的检测算法 , 以堆栈算法 , 自 动 球 形 译 码 算 法 为 代 表 , 它 们 先 访 问 度 量 值 最 小 的 节 点 , 直 至 找 到 要 访 问 的 最 佳 节 点 是 一 个 叶 节 点 为 止 , 这 类 算 法 会 因 为 不 停 地 回 溯 而 造 成 时 间 上 的 延 迟 和 复 杂 度 3 中国计量学院硕士学位论文 的 不 稳 定 。 并 且 在 不 同 的 环 境 中 , 它 所 需 的 存 储 空 间 也 会 大 大 的 不 同 。 针 对这一问题 ,2010 年,Chung-An Shen 等 人 在 此 基 础 上 在 文 献[39] 中做了 改进。除此以外,目前还存在其 他一些次优的 MSDD 算 法 , 如 判 决 反 馈 [40] [41] 差分检测 ,Fano 算法 等 , 但 它 们 分 别 存 在 错 误 传 播 和 过 于 复 杂 等 问 题。 综上所述,MSDD 算法目前已经有了较深入的 研究, 但大多或多 或少 都存在一些缺陷与不足, 这主 要是由于各类算法在 设计时都只顾 及到单个 性 能 指 标 , 而 无 法 很 好 的 做 到 性 能 、 复 杂 度 和 易 于 硬 件 实 现 三 方 面 的 平 衡 。 然 而 , 目前对于接收端使 用 MSDD 算法的协作系统(简称为多 符号 差分协作通信系统)的 研 究 , 不 仅 在 深 度上还是广度上都还 是不 够的,深 [16, 17, 20] 度上表现 是 对 协作系统下 MSDD 算法的研究仅限于 误码率 性能 , 而对于算法的复杂度分析、 易 于硬件实现的算法设 计以及性能改 进等方 面 研究都比较少 。 广 度 上 表 现 为 两 方 面 , 一 方 面 是 多 符 号 差 分 协 作 通 信 系 统 [16-23] 性能 的研究 目前 只 局 限 于 放 大 转 发 、 译 码 转 发 中 继 协 议 , 而 对 于 具 有 稳健分集增益的空时编码协作协 议下的研究基本没有 ; 另一方面 当前协作 通信系统中的多符号差分检测算 法的研究, 仅限于 深度优先的球 形译码算 [20] 法 ,而对其它性能较优且低复杂度的算法 研究甚少。 1.3 论文 的 主 要 内 容 与 安 排 本文主要对不同协作策略下的协 作 通信 场 景 搭 建 , 以 及 对 每 种 协 作 系 统下的多符号差分检测算法进行 研究。 本文研究了 适用于不同协 作系统的 3 种多符号差分算法,并通过理 论分析和 MATLAB 仿 真 分 析 来 验 证 这 些 算法的有效性和可行性。其主要 内容归纳如下: (1 ) 不 同 协 作 策 略 与 差 分 空 时 编 码 结 合 的 研 究 : 对 协 作 系 统 的 三 种协作策略进行了介绍,并且重点针 对 AF (Amplify-and-Forward ,放大 转发 ) 、CC (Coded-Cooperative , 编 码 协 作 ) 两种协作策略实现 以及不 同协作策略与 差分 空 时 编 码 结 合 等 方 面 阅 读 了 大 量 相 关 文 献 , 对 协 作 系 统的搭建有了深入的 了解 和 认识 ,为后续算法的研究 打下基础。 (2 )基于 CC 分布式空时协作的 多符号差分 ML ( imum Liklihood , 最 大 似 然 ) 算 法 : 在 平 坦 Rayleigh 衰落信道 环境 下,不考虑 源节点与目的节点直 传 路径的 CC 分布式空时协作系统中,基于 非差分 4 中国计量学院硕士学位论文 ML 算法与传统的单符号差分 ML 算 法 , 推 导 了 适 用 于 该 系 统 的 多 符 号 差分 ML 算法的度量表达式。 利用 MATLAB 仿真平台实现了 CC 分布式 空时协作系统 说 中多符号差分 ML 算法,并 对 误 码 性 能 在 不 同 调 制 情 况 下 进行 比较分析。 (3 ) 基于 AF 正交空时协作的多 符号 差分 SD (Sphere Detection , 球形检测) 算法:鉴于降低系 统搭建和检测算法实 现的复杂度。 本文在 平坦 Rayleigh 衰落信道 环境 下 , 考 虑 源 节 点 与 目 的 节 点 直 传 路 径 的 AF 正交空时协作系统中,推导出了 多符号差分 SD 算 法 度 量 表 达 式 , 并 给 出 了 详 细 的 推 导 过 程 。 同 时 , 将 推 导 的 度 量 表 达 式 应 用 于 深 度 优 先 SD 译码方式中,利用 MATLAB 仿真平台对推导表达式仿真测试, 并 对 误 码 率 和复杂度 性能进行 比 较 分 析 , 验 证 表 达 式 推 导 的 正 确 性 。 (4 ) 基于 AF 酉空时协作的多符 号差分 PASD (Pruning Automatic Sphere Detection ,自动裁剪球形检测) 算 法 : 为 了 提 高 协 作 系 统 的 全 分 集增益效果以及进一步降低系统 的平均复杂度,本文 在平坦 Rayleigh 衰 落信道 环境 下,不考虑源节点与 目的节点直 传 路 径 的 AF 酉 空 时 协 作 系 统中,首次引用多符号差 分 PASD 算法。利用 MATLAB 仿 真 对 多 符 号 差分 ML 、M-SD 和 PASD 三种算法的误码性能 、 复 杂 度 进 行 比 较 分 析 , 由此验证多符号差分 PASD 算 法 应 用 于 协 作 系 统 的 有 效 性 。 全文的内容结构安排如下: 第1 章 引 出 本 文 研 究 背 景 和 意 义 , 概 括 介 绍 了 协 作 通 信 在 检 测 算 法方面的国内外研究现状,以及 总结了本文的主要研 究 内容。 第2 章 首 先 概 述 了 协 作 的 基 本 原 理 , 然 后 介 绍 了 三 种 基 本 协 作 策 略 , 并 且 对 三 种 协 作 策 略 的 性 能 进 行 比 较 分 析 , 最 后 , 研 究 了 基 于 协 作 的差分空时编码。 第3 章 在 CC 分布式空时协作的基础 上, 针 对 传 统 单 符 号 差 分 ML 算法的 3dB 性 能 损 失 , 而 对 多符号差分 ML 算法 的研究 , 可以 提 高 差 分 协作系统的误码性能 , 并 且 从 理 论 公 式 推 导 和 仿 真 测 试 来 对 多 符 号 差 分 ML 算法进行分析 。 第4 章 在 AF 正交空时协作的基础上,针对 ML 算法高复杂度的 缺陷,研究 了 多 符 号 差 分 SD 算 法 , 用 于 降 低 差 分 协 作 系 统 的 空 间 复 杂 度 , 同 样 从 理 论 公 式 推 导 和 仿 真 测 试 来 对 多 符 号 差 分 SD 算法进行分析 。 第5 章 在 AF 酉 空 时 协 作 的 基 础 上 , 基 于 目 前 已 有 SD 算 法 的 缺 陷 , 5 中国计量学院硕士学位论文 研究 了多符号差分 PASD 算 法 , 使 差 分 协 作 系 统 在 误 码 性 能 和 复 杂 度 之 间达到很好的折中效果,并且更 易于将来在硬件中的 使用。 第6 章 对 研 究 工 作 进 行 了 总 结 , 并 展 望 今 后 的 研 究 方 向 及 指 出 还 需进一步解决的问题。 6 中国计量学院硕士学位论文 2 协作 通信 协作通信的本质在于无线节点 利 用 信 道 的 广 播 特 性 能够 侦听 到 邻 居 节点 发送 的 数 据 , 该 无 线 节 点 可 以 视为 协作 节点, 通 过 不 同 的 协 作 策 略 来 帮 助邻居节点将数据 转发 给 目 的 节 点 , 而 收 到 多 份 数 据 的 目 的 节 点 , 可 以 将 原始数据 更加精确的 还原 。本章主要是对协作基本 原理 、 协 作 策 略 以 及 基于差分空时编码的协作系统研 究,为后续的算法研 究做准备。 2.1 协作原理概述 协作通信 的首次提出 可追溯 至 1979 年 ,Cover 和 Gamal 在对中继信 道的研究 过程 中 ,首 次 提 到 了 源节点、中继节点 、目 的 节 点 的 概 念 ,并 且 假设所有节点工作频带相同, 系统分解为广播信道和 多址信道, 重点 对 一 个 三 节 点 网 络 的 容量 进行了分析 。 他 们 的 研 究 为 协 作 通 信 奠 定 了 理 论 基 础, 从而 促进了协作通信的 研究 发展。 协作 通信 的原理如图 2.1 所示: 图中 S 表示源节点,R 表示所有参与 协作的节点,D 表示 目的节点。 R R R R R R D 1 D 1 S S R R R R (a )Phase ? (b)Phase ? 图 2.1 协 作 通 信 原 理 图 如图所示,协作通信主要分为两 个阶段(a )和(b ) : (a ) Phase ? : 源 节 点 广 播 信 号 至 所 有 可 以 参 与 协 作 的 节 点 和 目 的 节 点 , [42] 其 中 在 分布式 协 作 通 信 模 型 中, 可以 将 源 节 点 广 播 信 号 至 目 的 节 点 的 7 中国计量学院硕士学位论文 直达路径 忽略了。 (b ) Phase ? : 协 作 节 点 将 接 收 到 的 信 号 通 过 一 定 的 协 作 策 略 转 发 给 目 的节点,此时目的节点将接收 到的 信号进行合并 、 检测译码 、 解 调 等 操 作,从而恢复源节点发送的信号 数据。 综上所述, 协 作 的 基 本 原 理 : 在 多 用 户 的 通 信 环 境 中 , 配 有 单 根 天 线 的节点利用无线信道的广播特征 侦听其他节点 即协作节点 的传输数据, 并通过一定的协作策略向目的节 点转发数据 。 这种 方 法 可 以 使 具 有 单 根 天 线的移动台获得类似 MIMO 系统 的 效 果 , 从 而 实 现 数 据 可 靠 高 速 的 传 输 。 同时,在通信系统中下行链路的 发射端是基站时,可 以配有多根 天线。 2.2 协作策略 协作策略主要是在协作节点部分实现, 其中最基本的协作策略 有三 种 : 放 大 转 发 协 作 、 解 码 转 发 协 作 以 及 编 码 协 作 , 其 他 协 作 策 略 都 是 在 这 三种策略的基础上进行变形和改 进。 本节将对这三 种协作策略进 行介绍和 性能比较分析。 2.2.1 放 大转发 协作[16,17,20] 放大转发协作 最 早 由 Laneman 提出 , 是 指 协 作 节 点 对 接 收 信 号 进 行 放 大 , 然 后 将 放 大 的 带 有 噪 声 信 号 转 发 至 目 的 节 点 , 此 时 目 的 节 点 接收到发送端和协作端两部分信 息, 首先对 这 两 部 分 信 息 进 行 合 并 然 后 进 行检测判决。 图 2.2 为 AF 协作策略的基本原理图 。 8 中国计量学院硕士学位论文 图 2.2 放 大 转 发 协 作 原 理 图 如 图 所 示 , 在 一 个 简 单 S-R-D 协作系统中协作节点 R 仅 简 单 地 放 大 并 转发接收到的来自 S 的信号。然而,在放大转发过程中 , 协 作 节 点 接收信 号的噪声也被相应的放大 。同时, 对 于 目 的 节 点 D 而 言 , 它 接 收 到 了 两 个 经历独立衰落的信号,并将这两个信号合并后 进行检测判决 。其 中,协作 [51] 节点的放大系数 为: p2-1 G2 g p ?N 0 其中,g 与 N 分别表示源节点 S 和协作节点 R 之间的衰落系统